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그린수소 기반 탄소중립연료 ‘e-fuel’ 부상

전 세계 내연기관차 배출가스 규제 강화
독일・일본, 탄소중립연료 연구개발 추진
그린수소에 CO2 합성한 ‘e-fuel’ 주목
국내서도 ‘e-fuel’ 연구 움직임 본격화

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[월간수소경제 이종수 기자] 기후변화 문제의 심각성이 더욱 부각되면서 EU, 중국, 일본 등 주요국들이 탄소중립을 선언하고 있다. 선언에만 그치지 않고 과감하게 움직이고 있다. EU와 미국은 탄소 국경세 도입을 논의 중이다. 특히 EU는 자동차 배출규제 상향, 플라스틱세 신설 등을 추진하고 있다. 


민간 부문에서는 글로벌 기업・금융사의 RE100(기업 사용전력의 100%를 재생에너지로 충당하겠다는 자발적 캠페인) 참여 및 ESG(환경·사회·지배구조) 투자 확대 등 환경을 고려한 경영 활동이 확산되고 있다. 재생에너지, 수소 및 2차전지 시장 등의 글로벌 친환경 시장도 급성장하고 있다. 


기존 내연기관차에 대한 환경규제는 더욱 강화되고 있는 추세다. 친환경차(전기・수소차)로의 전환이 가속화되고 있지만 상당 기간 내연기관차와 친환경차의 공존은 불가피하다. 


이에 따라 유럽과 일본을 중심으로 개발 중인 ‘수송용 탄소중립연료’가 국내에서도 수면 위로 올라왔다. 지난 4월 ‘수송용 탄소중립연료(e-fuel) 연구회’가 발족했다. 재생에너지 연계 그린수소와 이산화탄소를 합성해 만든 연료를 기존 내연기관차에 적용해 탄소중립에 기여한다는 목표다.  

   

글로벌 신 패러다임 ‘탄소중립’

재조업 중심 국가인 우리나라의 탄소중립은 선택이 아닌 필수가 됐다. 국내 제조업 비중(2019년)은 28.4%로 EU(16.4%), 미국(11.0%)보다 높다. 그동안 한국의 경제성장을 주도했던 철강, 석유화학 등 주력산업이 탄소 다배출 업종이다. 에너지원 구성 측면에서도 석탄발전 비중(2019년)이 40.4%로 미국 24%, 일본 32%, 독일 30% 등 주요국보다 높은 상황이다.  


정부는 수출주도형 경제로 성장해온 국내 산업구조 특성상 미온적으로 대응 시 투자 및 수출 기회의 제한이 우려됨에 따라 지난해 12월 ‘2050 탄소중립’ 추진전략을 발표했다. ‘경제구조 모든 영역에서 저탄소를 추진한다’는 게 추진전략의 핵심이다. 주요 온실가스 배출원인 발전·산업·건물·수송 분야에 대한 기술개발 지원, 제도개선 등을 통해 온실가스 조기 감축을 유도한다는 것이다. 




특히 국내 수송부문 중 도로의 탄소배출량이 96%로 가장 많다. 도로 위를 달리는 내연기관 자동차들이 주범이다. 정부는 수송부문 온실가스를 감축하기 위해 2012년부터 ‘자동차 온실가스 관리제도’를 시행 중이다. 자동차 제작(수입)사별 연간 판매된 차량의 평균 온실가스 배출량이 기준 이하가 되도록 해 온실가스 저배출 차량의 생산・판매를 유도하기 위한 제도다. 이 제도가 시행된 2012년 140g/km을 시작으로 기준이 지속적으로 강화되어 2019년에는 110g/km, 2020년에는 97g/km이 적용됐다. 


환경부가 올해 2월 확정・공포한 2021~2030년 자동차 온실가스 배출허용기준에 따르면  2021년 97g/km → 2025년 89g/km → 2030년 70g/km으로 단계적으로 대폭 강화된다. 


유럽은 가장 강력한 규제를 제시하고 있다. 2021년 95g/km에서 2030년에는 59g/km으로  38%나 온실가스 배출을 줄여야 한다. 2025년 도입 예정인 EURO 7 기준에서는 아산화질소(N2O)와 메탄(CH4)도 규제하는 방향으로 논의 중이다. 


또한 여러 국가의 2050년 탄소중립 선언과 함께 유럽, 일본, 중국 등 주요국의 LCA(전주기) CO2 규제 도입 움직임이 일고 있다. 이에 따라 자동차 생산부터 운행까지 전 과정의 탄소배출량 저감 기조에 기초한 탄소중립연료(e-fuel)와 엔진 효율 개선 기술의 중요성이 증대되고 있다. 




이미 내연기관의 탄소중립을 실현할 수 있는 연료로 바이오에탄올, 바이오디젤 등의 바이오 연료가 보급되어 왔다. 


바이오에탄올은 식물이 생산하는 바이오매스를 이용해 생물학적으로 생성된 에탄올 및 부탄올을 포함하는 에너지와 연료용 알콜을 칭한다. 일반적으로 미생물과 효소를 이용해 식물의 탄수화물을 발효시켜 생산한다. 미국, 브라질, EU 등의 국가에서 순수한 형태나 가솔린 첨가제로 차량의 연료에 사용되는 등 다양한 용도로 쓰인다. 


바이오디젤은 콩기름·유채 기름·폐식물 기름·해조유 등의 식물성 기름이나 소·돼지 등의 동물성 지방을 원료로 만든 연료로, 주로 경유를 사용하는 디젤자동차의 경유 첨가제 또는 그 자체로 차량 연료로 사용된다. 

 

새로운 탄소중립연료 ‘e-fuel’ 주목

최근에는 바이오 연료뿐만 아니라 재생에너지와 연계해 물 전기분해(수전해)로 얻은 그린수소에 이산화탄소, 질소 등을 합성해 만든 ‘e-fuel’이 새로운 수송용 탄소중립연료로 주목받고 있다. 


수전해 그린수소에 이산화탄소(CO2)를 합성하면 e-메탄올, e-가솔린, e-디젤, e-메탄(천연가스), e-항공등유(케로신) 등의 청정연료를 생산할 수 있다. 그린수소에 질소(N2)를 합성하면 e-암모니아가 생성된다. 


국내에서 기존 내연기관에 ‘e-fuel’을 적용하기 위한 움직임이 시작됐다. 산업통상자원부는 지난 4월 15일 서울 자동차회관에서 ‘수송용 탄소중립연료(e-fuel) 연구회’ 발족식을 개최했다. 


이날 발족식에는 주영준 산업통상자원부 에너지자원실장을 비롯해 현대자동차와 정유 4사(SK에너지, 현대오일뱅크, GS칼텍스, S-OIL), 산업연구원, 에너지경제연구원, 에너지기술연구원, 화학연구원, 고등기술연구원, 한국과학기술연구원, 한국자동차연구원, 조선해양기자재연구원, 항공우주연구원 등의 연료・수송 분야 관계자 및 전문가 등 30여 명이 참석했다. 


관련 업계 및 연구계에 따르면 e-fuel을 활용하면 기존 내연기관을 사용하면서도 탄소중립에 기여할 수 있어 독일, 일본 등에서는 관련 제도 정비와 R&D가 추진되고 있으며, 국내에서도 e-fuel 적용이 필요하다는 의견이 제기되어 왔다.




독일에서는 Audi사가 지난 2018년 3월 e-가솔린, e-디젤 생산을 통한 엔진실험에 착수했다. Norsk e-fuel사는 100% 재생에너지 사용을 통한 e-fuel 생산 및 실증화 사업을 추진 중이다.  Lufthansa AG와 정유회사 Heide GmBH에서도 항공용 합성 등유 실증 프로젝트를 추진하고 있다. 지멘스와 포르쉐는 칠레의 풍력에너지를 이용한 e-가솔린 생산을 위한 산업플랜트 건설(Haru Oni 프로젝트)에 착수했다.


일본에서는 도요타, 닛산, 혼다가 지난해 7월 탄소중립 엔진을 개발하기 위한 e-fuel 적용 연구에 착수했다. 


배충식 KAIST 교수에 따르면 e-Fuel은 이산화탄소와 청정수소의 합성으로 액체 및 기체 연료를 생산해 사용하는 CCUS 기술의 일환으로, 내연기관 엔진에 쉽게 적용할 수 있고, 동력밀도와 에너지밀도가 높아 상용차, 건설기계, 선박, 항공기 등에 널리 활용될 수 있다.


배 교수는 “수송 동력이 친환경차(전기차, 수소차)로 전환 중이지만 엔진차에 e-fuel을 적용함으로써 자동차산업 전환의 연착륙이 가능하고, 온실가스 주범인 이산화탄소를 포집해 활용한다는 점에서 e-fuel이 실질적인 탄소중립에 기여할 수 있다”고 밝혔다.  


이영재 환경부 친환경자동차기술개발사업단장은 “e-fuel은 기존의 석유계 연료와 유사하면서 그보다 청정한 물성을 가져 자동차, 선박, 항공기의 연료로 쉽게 대체할 수 있음은 물론 기존의 연료 인프라 역시 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있다”라며 “e-fuel은 그린 뉴딜과 수소사회를 실현하는 한 축이 될 수 있고, 자동차는 물론 선박, 항공기에 이르기까지 다양한 수송기관의 탄소중립 연료로 사용될 수 있어 우리나라에서도 e-fuel 개발・도입이 활발히 검토되어야 할 것”이라고 밝혔다. 


국내 e-fuel 연구는 미미한 상황이다. 


정부 차원에서는 차세대탄소자원화연구단의 세부연구단2(재생에너지 활용 이산화탄소 전환 융합기술)의 과제 중 하나(총괄5 과제)로 ‘CO2 직접 수소화 기술 및 이를 이용한 Power-to-Liquids 공정 개발’을 진행 중이다.  

또 ‘재생에너지 장주기 저장 및 전환을 위한 Power-to-Gas 기술개발’ 과제의 세부 2과제로 그린수소 메탄화 기술개발(30Nm³/h급 열화학적 및 생물학적 메탄화 기술개발)이 진행 중이다. 


배충식 교수는 “국내 e-fuel 개발 진행이 미진하나 기존의 탄소자원화 기술과 탄소활용 기술의 역량과 인력을 총동원하면 시너지효과를 통해 효과적인 e-fuel 개발이 가능할 것”이라고 밝혔다.


‘수송용 탄소중립연료 연구회’ 발족식에서는 전문가들의 발제를 통해 국내 e-fuel 연구개발 방향과 과제가 제시된 바 있다.


배충식 KAIST 교수는 e-fuel 연구개발 방향으로 △e-fuel 생산 시 소모되는 에너지 및 효율성 분석 △CCUS 기반 탄소 재순환 기술개발 △탄소중립선박 연구 △연료 특성 연구 △H2ICE(수소 적용 내연기관 엔진) 개발 등을 제시했다. 


배 교수는 “선박과 같은 대형 수송기관은 배터리로 대체할 수 없는 영역이기 때문에 e-fuel의 적용을 통한 탄소저감이 필요하고, CCUS를 동반해 e-fuel을 생성하더라도 기존 정유 과정을 통해 생성되는 연료와의 특성 차이가 존재해 e-fuel을 기존 연료에 합성해 사용하는 방안 등의 연구도 필요하다”고 설명했다. 


배 교수는 산업용 발전 Flue gas(연도가스), 대기 중 또는 해수 용존에서 포집한 이산화탄소와 청정수소를 이용해 에너지밀도가 높은 e-fuel을 생산, 대형기계(건설기계, 생산기계), 항공기 등에 직접 적용하는 국가 차원의 연구개발 사업을 제안하기도 했다.




박성호 고등기술연구원 선임연구원은 “e-fuel의 경제성을 확보하기 위해서는 해외 재생에너지 기반 그린수소 등 낮은 전력원가 기반의 재생에너지원을 통해 생산된 수소의 활용방안을 모색해야 한다”라며 “수전해와 일부 연료전환기술의 성숙도는 상용단계에 근접하고 있어 경제성 확보와 고품질화를 위한 통합공정 및 재생에너지 연계 운영기술 개발 등과 함께 통합실증단지가 필요하다”고 밝혔다.


정재우 한국자동차연구원 수석연구원은 e-fuel을 자동차에 적용하기 위한 기술과제로 △합성연료와 신연소 개발 △e-fuel 적용 엔진 시스템 개발 및 검증  △e-Fuel 실차 적용 실증・모니터링 기술개발 △저 NOx 배출 수소엔진 개발 △배기 규제 대응이 가능한 e-메탄가스 엔진 및 차량 개발 △수소 엔진・수소 연료전지・메탄 엔진 공용 플랫폼 개발 등을 제시했다. 


정 수석연구원은 합성연료와 신연소 개발과 관련해 “엔진 연소 시 공기-연료 혼합기 중의 공기 비율을 높이고 연료비율을 낮춰 연소하는 희박연소엔진은 공연비가 22~30km/L에 이르며, 엔진 효율 개선과 NOx 배출 저감이 동시에 가능하다”라며 “합성 연료에 따라 착화 조건 및 희박 한계 조건 등이 상이해 연료별 특성을 고려한 연소기술과 엔진 개발이 필요하다”고 설명했다.

 

e-fuel 연구회 활동 계획

‘수송용 탄소중립연료 연구회’는 향후 월 1회 정례적인 연구회 활동을 통해 e-fuel 적용의 필요성을 검토하고, 중장기 기술 로드맵(연료의 경제성 확보, 수송기관 적용 기술 등)을 도출할 계획이다.


또한 연구회 결과물 등을 활용해 올해 2월 발표된 ‘제4차 친환경자동차 기본계획’에서 제시한 ‘탄소중립 4대 챌린지(Challenge) - CO2 재활용 프로젝트’ 추진에도 박차를 가할 예정이다. 이 프로젝트는 CO2와 H2를 원료로 메탄과 에탄올을 생산해 자동차·항공연료로 활용하는 사업이다. 




신재생 전기로 수전해를 통해 이산화탄소 배출이 없는 그린수소를 생산해 수소전기차 등에 적용하는 것은 물론 이러한 그린수소와 이산화탄소를 합성해 메탄을 생산, CNG 차량 등에 적용한다. 또 생산된 메탄을 활용해 에탄올을 생산, 가솔린 차량 등에 적용하는 방식이다.    


이를 위해 먼저 신재생발전과 연계한 그린수소 생산설비와 메탄 생산설비를 집적해 ‘그린수소메탄화 프로젝트’를 추진할 계획이다. ‘재생에너지 장주기 저장・전환을 위한 Power to Gas 기술개발’(2019~2023년, 정부 285억 원) 과제를 통해 CO2 메탄화 촉매 국산화, 설비효율 개선(폐열 활용) 등의 기술개발(2019~2021년)을 거쳐 2MW급 태양광발전(동해시)과 연계한 메탄생산 설비 실증(2022~2023년)을 진행할 예정이다. 


이를 통해 2024년부터 CNG버스에 그린수소메탄을 적용하는 시범사업을 추진한다는 계획이다. 


동해시 그린수소메탄화 프로젝트에서 그린수소 생산은 연간 6.3만kg, 이산화탄소 소비는 연간 35만kg, 메탄생산은 연간 12.6만kg으로 추정된다. 


이와 함께 그린수소메탄을 활용해 ‘그린에탄올’ 생산기술 상용화를 추진한다. 2022년부터 차량용 에탄올 제조공정 개발 및 인프라 구축, 가솔린+에탄올 혼합연료 적용을 위한 엔진 최적화 기술개발 및 실증을 진행할 계획이다. 


배충식 KAIST 교수는 “배터리 전기차, 수소전기차를 비롯해 e-fuel을 사용하는 내연기관차와 하이브리드차를 병행 발전시키는 상생기술 개발전략으로 실질적인 탄소중립을 지향하는, 공격적이고 장기적인 기술개발 투자가 필요하다”고 강조했다.


주영준 산업부 에너지자원실장은 ‘수송용 탄소중립연료 연구회’ 발족식에서 “수송 분야 탄소중립 실현을 위해 전기·수소차 보급을 지속 확대할 것이며, 특히 다양한 기술개발·실증을 지원해 나갈 것”이라면서 “많은 기술적 장벽이 있겠지만 내연기관도 청정연료를 사용하면 탄소중립 달성이 가능할 수도 있는 만큼 현존 기술의 한계를 뛰어넘는 기술혁신이 일어날 수 있도록 노력해주길 바란다”고 밝혔다.





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